Исследователи из Японии впервые отредактировали митохондриальную ДНК растений, что может привести к более надежному снабжению продовольствием.
Ядерная ДНК была впервые отредактирована в начале 1970-х годов, хлоропластная ДНК была впервые отредактирована в 1988 году, а митохондриальная ДНК животных была отредактирована в 2008 году.
Исследователи использовали свою технику для создания четырех новых линий риса и трех новых линий рапса (канолы).
«Мы поняли, что добились успеха, когда увидели, что растение риса было более вежливым - у него был глубокий лук», - сказал доцент Син-ити Аримура, шутя о том, как плодородное растение риса сгибается под тяжестью тяжелых семена.
Аримура является экспертом в области молекулярной генетики растений в Токийском университете и возглавлял исследовательскую группу, результаты которой были опубликованы в журнале Nature Plants. Сотрудники Университета Тохоку и Университета Тамагава также внесли свой вклад в исследование.
Генетическое разнообразие для обеспечения продовольствием
Исследователи надеются использовать этот метод для решения проблемы дефицита митохондриального генетического разнообразия сельскохозяйственных культур, что является потенциально разрушительным слабым местом в нашем продовольственном снабжении.
В 1970 году на кукурузные фермы Техаса пришла грибковая инфекция, которая усугубилась геном в митохондриях кукурузы. Вся кукуруза на фермах имела один и тот же ген, поэтому ни одна из них не была устойчива к инфекции. В том году было уничтожено пятнадцать процентов всего урожая кукурузы в Америке. Кукуруза с этим специфическим митохондриальным геном больше не сажалась.
«Сейчас мы все еще подвергаемся большому риску, потому что в мире используется так мало митохондриальных геномов растений. Я хотел бы использовать нашу способность манипулировать митохондриальной ДНК растений, чтобы добавить разнообразия», - сказал Аримура..
Растения без пыльцы
Большинство фермеров не сохраняют семена урожая, чтобы пересадить их в следующем году. Гибридные растения, потомки двух генетически разных родительских подвидов в первом поколении, обычно более выносливы и продуктивны.
Чтобы фермеры каждый сезон получали свежие гибридные семена первого поколения, сельскохозяйственные компании-поставщики производят семена посредством отдельного процесса селекции с использованием двух разных родительских подвидов. Один из этих родителей самец бесплоден - он не может производить пыльцу.
Исследователи называют распространенный тип мужского бесплодия растений цитоплазматическим мужским бесплодием (ЦМС). CMS - это редкое, но естественное явление, вызываемое главным образом генами не в ядре клеток, а скорее в митохондриях.
Зеленая фасоль, свекла, морковь, кукуруза, лук, петуния, рапсовое (каноловое) масло, рис, рожь, сорго и подсолнечник можно выращивать в коммерческих целях с использованием родительских подвидов с мужским бесплодием CMS-типа.
За пределами зеленого
Растения используют солнечный свет для производства большей части своей энергии посредством фотосинтеза в окрашенных в зеленый цвет хлоропластах. Однако, по мнению Аримуры, слава хлоропластов переоценена.
"Большинство растений не зеленые, только листья над землей. А у многих растений нет листьев в течение полугода", - сказал Аримура.
Растения получают значительную часть своей энергии через ту же «энергетическую станцию клетки», которая производит энергию в клетках животных: митохондрии.
"Нет растительных митохондрий, нет жизни", - сказал Аримура.
Митохондрии содержат ДНК, полностью отделенную от основной ДНК клетки, которая хранится в ядре. Ядерная ДНК представляет собой длинную двойную спираль генетического материала, унаследованного от обоих родителей. Митохондриальный геном кольцевой, содержит гораздо меньше генов и в основном наследуется только от матерей.
Митохондриальный геном животных представляет собой относительно небольшую молекулу, содержащуюся в единой кольцевой структуре с замечательной консервативностью между видами.
"Даже митохондриальный геном рыбы похож на человеческий", - сказал Аримура.
Митохондриальные геномы растений - это отдельная история.
Митохондриальный геном растений огромен по сравнению с ним, структура намного сложнее, гены иногда дублируются, механизмы экспрессии генов недостаточно изучены, а некоторые митохондрии вообще не имеют геномов - в наших предыдущих исследований мы заметили, что они сливаются с другими митохондриями для обмена белковыми продуктами, а затем снова разделяются», - сказал Аримура.
Манипулирование митохондриальной ДНК растений
Чтобы найти способ манипулировать сложным митохондриальным геномом растений, Аримура обратился к сотрудникам, знакомым с системами CMS в рисе и рапсе (каноле). Предыдущие исследования убедительно свидетельствовали о том, что у обоих растений причиной CMS был единственный, эволюционно не связанный митохондриальный ген у риса и рапса (канолы): явные цели в запутанном лабиринте митохондриальных геномов растений.
Команда Аримуры адаптировала технику, которая ранее использовалась для редактирования митохондриальных геномов клеток животных, растущих в чашке. Техника, называемая mitoTALENs, использует один белок для обнаружения митохондриального генома, вырезания ДНК в нужном гене и его удаления.
"Хотя удаление большинства генов создает проблемы, удаление гена CMS решает проблему для растений. Без гена CMS растения снова становятся плодородными", - сказал Аримура.
Полностью плодородные четыре новые линии риса и три новые линии рапса (канолы), созданные исследователями, являются доказательством того, что система mitoTALENs может успешно манипулировать даже сложным митохондриальным геномом растений.
«Это важный первый шаг в исследованиях митохондрий растений», - сказал Аримура.
Исследователи более подробно изучат митохондриальные гены, ответственные за мужское бесплодие растений, и выявят потенциальные мутации, которые могут добавить столь необходимое разнообразие.